电源系统可靠性热设计与热分析实验报告(编辑修改稿)

电源系统可靠性热设计与热分析实验报告(编辑修改稿)内容摘要：

实际测量。 . 散热器优化设计 散热器优化设计的流程如图 所示： 图 散热器优化设计流程图 散热器热阻是选择散热器的主要依据。 . 散热器的优化实施 经过上述方法选择的散热器，功率器件在散热器的辅助散热之下工作结温降至允许温度之下。 保证了器件可靠安全的工作，但上述方法选择的散热器存在诸多缺点。 体积大，比较笨重，而且成本高。 在航空航天领域无法满足设备体积小、质量轻的要求。 解决航空航天领域这一要求，就是使功率器件与散热器的配套使用达到最优匹配。 即当功率器件在安全结温内工作时，已优化的散热器散热面积应达到最优、重量最轻，同时能保证功率器件安全可靠工作。 电 源系统可靠性热设计与热分析实验 7 散热器的优化问题是一个有约束的多变量非线性问题。 QFin 软件中提供了多种优化目标的选择，对 LM317 所用散热器的优化。 先以散热器质量最轻为优化目标；涉及到的可变化的变量就是散热器几何参数，包括肋片的厚度、高度、长度以及基座长度、宽度和厚度等，对这些参数给出可控制的范围即可得出质量最轻的散热器了。 但是，这种理想的优化在实际工程应用中不太现实，有些优化后的散热器是不易于加工的。 所以，实际工程优化中优化变量选取散热器易于加工制造的几何参数，基座的尺寸一般不易改变，因此一般不考虑改变基座 的几何参数，而选取肋片参数作为优化变量，比如散热器的肋片长度或者高度等。 考虑到散热器的强度、加工方便以及功率器件的尺寸大小，肋片厚度如果太薄，其强度不够，同时也会增加加工难度。 因此一般取优化变量肋片厚度大于 1mm，基座长度要大于功率器件纵向长度以保证功率器件的正确安放。 其它环境条件输入变量根据具体情况具体安排分析。 对于航空航天领域某些设备的特殊要求，使用优化后的散热器要按照优化结果在散热器生产厂家定做，没有特殊要求的，选用最优散热器尺寸附近的散热器即可，但得遵循选大不选小的原则进行选择。 . Qfin 软件简介 Qfin 软件是从国外引进的散热器优化设计专用软件，是 Fluent 公司和 ATT 公司共同研制开发的散热器设计和优化专业软件。 Qfin包含常用的多种类型散热器，热源和材料的模型库。 用户可以调用或创建各种形状和类型的散热器或热源。 它还提供了全局和局部等多种类型的边界条件，能够解决强迫对流、自然对流、幅射、定常和非定常等多种热物理模型。 它还能够实现二维和三维直观的后处理结果，提供数值报告。 它使用简单、快速，有针对性，同时易于集成到其他热设计软件中。 用户入手快、方便实用、适于普遍推广。 Qfin对于散热器设计和优化的变量 如表 所示： 表 散热器设计和优化的参数 Fin thickness 肋片厚度 Fin height 肋片高度 Number of Fins 肋片的数目 Base thickness 基座的厚度 Extrusion length 拉伸长度 Heat Source Load 热源选择 Approach Air Speed 空气流速 Weight 散热器的重量等。 Qfin软件采用了一些简化原则使建模较为简单，例如， Qfin软件对于热源的简化， 电 源系统可靠性热设计与热分析实验 8 忽略其厚度视作二维处理；对于散热器的建模，将肋片上的细小沟槽忽略不计。 由前一典型功率器件实例的误差分析中可知，这些简化原则所带来的误差在要求范围内，能够满足工程要求。 4. 实验内容与测试数据 . 实验内容 （ 1）电源 系统电路设计及性能测试； （ 2）电源系统可靠性热设计及热分析； （ 3）功率器件的降额设计； （ 4）功率器件散热器的优化设计； （ 5）优化后散热器热性能的评估。 . 器件参数 实验中用到的元器件参数如表 所示 表 元器件参数表 器件类型 器件编号 器件参数 附注 变压器 T 220V输入 双 17V， 10V输出 整流桥 T1 3A T2 3A 稳压块 LM317 结温范围： 0～ 120℃ LM337 LM7805 0～ 125℃ 电阻 R01 1K R02 1K R1 可变电阻 R2 R3 100 R4 240 R5 20Ω 20W 功率电阻 R6 20Ω 20W R7 10Ω 15W 器件类型 器件编号 器件参数 附注 电阻 R8 20Ω 20W 功率电阻 R9 20Ω 20W R10 10Ω 15W 电容 C1 2200uF 电解电容 C2 2200μ F C5 10μ F C6 10μ F 电 源系统可靠性热设计与热分析实验 9 器件类型 器件编号 器件参数 附注 C9 220μ F C10 220μ F C11 3300μ F C13 220μ F C3 F C4 F C5 F C8 F C12 F C14 F 开关 K1 K2 K3 实验中用到的散热片规格如图 — 图 所示： 图 DF、 SRXYDF 系列散热器规格（ 优化前） 图 DA、 SRXYDC 系列散热器规格（优化后） 散热器参数如表 所示： 电 源系统可靠性热设计与热分析实验 10 表 型号 规格 L（㎜） 有效面积 (㎡ ) DF45 45 SRXYDF45 DA44 44 SRXYDC44 . 实验步骤 . 电路热测量及计算 (1) 散热器 优化前 ① 在未接入稳压电路时，用电压表分别测量出三路输出电压 1U 、 2U 、 3U。 ② 接入稳压电路（设 LM317稳压电路为第一路，其输入输出电压分别为 1iU 和 1oU ；LM337 稳压电路为第二路，其输入输出电压分别为 2iU 和 2oU ； LM7805 稳压电路为第三路，其输入输出分别为 3iU 和 3oU ）。 ③ 将三用表置为电流档，并将其串联到各路输入端，分别测量出三路输入电流 IiIi Ii3。 ④ 1K 、 2K 、 3K 断开 (降额状态 )，调节 1R 、 2R ，使第一、第二路输出分别为 +12V，12V左右。 10 分钟后，分别测量稳压电路的三路输入电压 1iU 、 2iU 、 3iU ，三路的输出电压 1oU 、 2oU 、 3oU ，三个稳压器件的外壳温度 1T 、 2T 、 3T。 ⑤ 计算三路的输入功率 Pi Pi Pi3和三个电阻的功耗 Po Po Po3。 ⑥ 计算各稳压器的功耗 P=Pi－ Po ⑦ 1K 、 2K 、 3K 闭合 (未降额状态 )， 10 分钟后，分别测量稳压电路的三路输入电压 1iU 、 2iU 、 3iU ，三路的输出电压 1oU 、 2oU 、 3oU ，三个稳压器件的外壳温度 1T 、 2T 、3T。 以上各步测得的实验数据如表 — 表 所示。 (2) 散热器优化后 将优化后的散热器实验板，接入到电源 系统中。 其它实验步骤同上②、③、④步骤。 测得的实验数据如表 所示。 电 源系统可靠性热设计与热分析实验 11 表 散热器优化前降额实。